4.5. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ Электрохимический пробой

Привет, Вы узнаете о том , что такое пробой диэлектриков, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое пробой диэлектриков, электрохимический пробой, поверхностный пробой, , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов.

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем.

Минимальное приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением Uпp.

Предпробойное состояние диэлектрика характеризуется резким возрастанием тока, отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости. Формально за пробивное принимают такое напряжение, при котором dI/dU→∞, т.е. дифференциальная проводимость становится бесконечно большой (рис. 4.4). Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика h и формы электрического поля, обусловленной конфигурацией электродов и самого диэлектрика. Поэтому оно характеризует не столько свойства материала, сколько способность конкретного образца противостоять сильному электрическому полю. Для сравнения свойств различных материалов более удобной характеристикой является электрическая прочность. Электрической прочностью называют минимальную напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою диэлектрика: Eпр = Uпр /h.

Если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои электрические свойства. В противоположность этому пробой твердых диэлектриков заканчивается разрушением изоляции. Однако разрушение материала можно предупредить, ограничив нарастание тока при пробое допустимым пределом.

I

Рис. 4.4. Вольт-амперная характеристика диэлектрика

пробой диэлектриков может возникать в результате чисто электрических, тепловых, а в некоторых случаях и электрохимических процессов, обусловленных действием электрического поля.

Пробой твердых диэлектриков. У твердых диэлектриков может наблюдаться три основных механизма пробоя: 1) электрический;

1. тепловой;
2. электрохимический.

Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля, в котором он находится, – постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т.д.

Электрический пробой твердых диэлектриков характеризуется весьма быстрым развитием. Он протекает за время не более 10^–7 … 10^–8 с, не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры, и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией (как в газах), которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению изолятора.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

В случае однородного поля и полной однородности структуры материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом Eпр достигает более 1000 МВ/м. Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.

Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, нежели массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочнения материалов. Его использование позволяет повысить надежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, поскольку эксплуатационные значения напряженности поля в тонких пленках (~10⁸ В/м) близки к пробивным для объемных образцов.

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, электротепловое пробивное напряжение зависит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях вследствие их малой нагревостойкости.

Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлектрика в электрическом поле (при относительно малых значениях t).

Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобладающими будут потери сквозной электропроводности. Для рассеиваемой мощности известно выражение:

где U – приложенное напряжение; f – частота; ε – относительная диэлектрическая проницаемость (считаем ее не зависящей от температуры);

tgδ₀ – тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды; α – температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь; Т – температура нагретого за счет диэлектрических потерь материала; Т_о – температура окружающей среды; S – площадь электрода; h – толщина диэлектрика.

Температура Т по всему объему материала, находящемуся в поле между электродами (краевым эффектом пренебрегаем), одинакова, если толщина диэлектрика не очень велика и теплопроводность его не слишком плохая (достаточно справедливое допущение).

Так как теплопроводность металла электродов за редким исключением на два-три порядка больше, чем теплопроводность диэлектрика, будем считать, что теплоотвод из нагревающегося объема производится в окружающую среду через электроды (теплоотводом через торцевую поверхность диэлектрика пренебрегаем). Мощность, отводимая от диэлектрика, выражается с помощью формулы Ньютона:

P_T = 2αS(T −T₀),

где α – суммарный коэффициент теплопередачи от диэлектрика во внешнюю среду.

Пробивное напряжение при тепловом пробое рассчитывается по формуле:

где K – числовой коэффициент, равный 1,15 – 10⁵, если все величины, имеющие размерности, выражены в единицах СИ.

Полученное выражение показывает, что напряжение теплового пробоя будет выше, если условия теплоотвода лучше (α больше), а диэлектрик толще; оно будет меньше при высоких частотах, больших коэффициенте диэлектрических потерь εtgδ и температурном коэффициенте тангенса угла потерь α.

В реальных условиях явление теплового пробоя протекает более сложно, чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление его резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам напряжения в поверхностных слоях. Имеет значение также и теплопроводность материала электродов. Все это способствует пробою образцов при более низких напряжениях, чем получаемые из приближенного расчета.

Разновидностью теплового пробоя можно считать ионизационный пробой. Он характерен для твердых пористых диэлектриков и обусловлен ионизацией газа в порах. За счет ионизационных потерь разогревается поверхность закрытых пор, возникают локальные перепады температуры в диэлектрике и связанные с ними термомеханические напряжения. Такие процессы особенно опасны в хрупких материалах, поскольку термомеханические напряжения могут превзойти предел прочности материала и вызвать растрескивание диэлектрика.

электрохимический пробой . Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, окислов металлов переменной валентности.

Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, поскольку он связан с явлением электропроводности. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, TiO₂), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария. Электрохимический пробой наблюдается и у многих органических материалов; он во многом зависит от материала электродов.

поверхностный пробой . При испытании и эксплуатации твердых диэлектриков с высокой электрической прочностью может наблюдаться явление поверхностного пробоя, под которым понимают пробой газа или жидкости вблизи поверхности твердого диэлектрика. По существу в случае поверхностного пробоя электрическая прочность твердого диэлектрика не нарушается, однако образование проводящего канала на поверхности существенно ограничивает рабочие напряжения изолятора.

Значение поверхностного пробивного напряжения во многом определяется конфигурацией электродов, габаритными размерами и формой твердого диэлектрика. Если изолятор эксплуатируется на воздухе, то напряжение поверхностного пробоя зависит от давления, температуры, относительной влажности воздуха, частоты электрического поля. В некоторых конструкциях напряжение поверхностного пробоя может быть даже ниже напряжения пробоя газа в тех же условиях. Одной из причин подобного эффекта является искажение однородности электрического поля, вызываемое перераспределением зарядов в адсорбированной пленке влаги.

В результате смещения ионов по поверхности твердого диэлектрика сильно возрастает напряженность поля у электродов.

Чем резче выражены гидрофильные свойства диэлектрика, тем сильнее падает поверхностное пробивное напряжение в условиях повышенной влажности. Однако влияние влажности воздуха на это пробивное напряжение слабо сказывается в радиочастотном диапазоне, когда поверхность диэлектрика подсушивается благодаря повышенным диэлектрическим потерям в адсорбированной пленке.

Для предотвращения поверхностного пробоя необходимо по возможности увеличивать длину разрядного пути вдоль поверхности твердого диэлектрика. Этому способствует создание ребристой поверхности изоляторов, проточка разного рода канавок, изготовление конструкций с «утопленными» электродами. Повышение рабочих напряжений достигается также сглаживанием неоднородностей электрического поля за счет изменения формы электродов или оптимизации конструкции изолятора. Аналогичный эффект может быть получен при нанесении на поверхность изолятора полупроводящих покрытий или диэлектрических пленок с повышенной диэлектрической проницаемостью.

Эффективной мерой борьбы с поверхностным пробоем является замена воздуха жидким диэлектриком, например трансформаторным маслом. Как известно, многие жидкости обладают более высокой электрической прочностью. Кроме того, повышенная по сравнению с воздухом диэлектрическая проницаемость жидкостей способствует снижению напряженности поля на поверхности твердого диэлектрика. Поэтому погружением изолятора в жидкий диэлектрик можно добиться повышения предельных рабочих напряжений.

Данная статья про пробой диэлектриков подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое пробой диэлектриков, электрохимический пробой, поверхностный пробой, и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов